计算机网络与通讯_201409_第2章物理层

1、12目录目录n2.1.1 通信系统模型与基本概念通信系统模型与基本概念n2.1.2 信道带宽与数据传输速率的关系信道带宽与数据传输速率的关系n2.1.3 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析n2.1.4 信道的最大数据速率信道的最大数据速率32.1 数据通信基础数据通信基础p2.1.1 通信系统模型与基本概念通信系统模型与基本概念数据是对客观事实进行描述的物理符号，数据是对客观事实进行描述的物理符号，是一种能够传递信息的载体。是一种能够传递信息的载体。信息是数据中包含的意义，或者说对数信息是数据中包含的意义，或者说对数据的进一步解释，是数据按有意义的关据的进一步解释，是数据按有意义的关联排列的结果

2、。联排列的结果。信号是数据在传输过程中的表现形式，信号是数据在传输过程中的表现形式，即信号是数据的电编码或电磁编码。即信号是数据的电编码或电磁编码。时间和幅度的取值都是连续的，如温度、压力、流量等；时间和幅度的取值都是连续的，如温度、压力、流量等；时间上离散，幅度上量化，一般是由时间上离散，幅度上量化，一般是由0 0，1 1的二进制代码组成的二进制代码组成的数字序列。的数字序列。4 发出信号的电子设备发出信号的电子设备 将原始信号变换为适合信道传输的信号类型将原始信号变换为适合信道传输的信号类型 信息的通道，用于信号传输的媒介及相关设备信息的通道，用于信号传输的媒介及相关设备将信道上的信号转换

3、成信宿可接收的信号类型将信道上的信号转换成信宿可接收的信号类型 信号的接收设备信号的接收设备2.1.1 2.1.1 通信系统模型与基本概念通信系统模型与基本概念p通信系统模型通信系统模型信源反变换器信道变换器信宿噪声源发送端接收端现实例子现实例子5现实生活中的通信系统现实生活中的通信系统6按数据在信道上的传输方向将通信方式分类：按数据在信道上的传输方向将通信方式分类：7模拟信道和数字信道模拟信道和数字信道数字信道数字信道公共电话网（模拟信道）公共电话网（模拟信道）数字信道数字信道通过模拟信道进行的数据通信通过模拟信道进行的数据通信82.1 通信系统模型与通信系统模型与信道特性信道特性91 01

4、10 111tTf(t)2cos()2sin(21)(1nftbnftactFnnn这里，这里，f = 1/T, 是基波频率。是基波频率。c是直流分量；是直流分量；an和和bn分别是分别是n次次谐波的正弦和余弦振幅值。谐波次数越高，则其频率也越高。谐波的正弦和余弦振幅值。谐波次数越高，则其频率也越高。10随着项的个数的随着项的个数的增多，叠加出来的增多，叠加出来的曲线更加接近于原曲线更加接近于原方波。方波。随着项的个数的随着项的个数的增多，通过的谐波增多，通过的谐波频率就越高。频率就越高。11n举例：举例：信道带宽为信道带宽为3kHz，数据传输速率为，数据传输速率为9600b/s，发送一个，发

5、送一个字节的数据（字节的数据（8bits）需要时间）需要时间T：T=8/96000.83ms基波频率基波频率f1/T=1.2kHz对于对于3kHz的带宽，仅能通过两次谐波，数据失真很大。的带宽，仅能通过两次谐波，数据失真很大。若数据信号传输速率为若数据信号传输速率为2400b/s，基波频率，基波频率f：基波频率基波频率f=300Hz对于对于3kHz的带宽，可通过的带宽，可通过10次谐波，数据失真较小。次谐波，数据失真较小。122.1.4 2.1.4 信道的最大数据速率信道的最大数据速率13预备概念预备概念1 1：两种传输率及关系：两种传输率及关系53351ms10 00 01 11电平电平 V

6、14p额外混进的非期望信号称为噪声。额外混进的非期望信号称为噪声。p类型：类型：n热噪声：正态（高斯）白噪声热噪声：正态（高斯）白噪声p由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起。由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起。n交调噪声交调噪声p多个不同频率的信号共用同一传输媒体可能产生，是输入信号的频率多个不同频率的信号共用同一传输媒体可能产生，是输入信号的频率和或差及这些频率的多倍数的组合。和或差及这些频率的多倍数的组合。n串音：串扰串音：串扰p一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号。一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号。n脉冲噪声脉冲噪声p突发出现的离散脉冲，是数据通信差

7、错的主要根源。突发出现的离散脉冲，是数据通信差错的主要根源。预备概念预备概念2 2：噪声：噪声15预备概念预备概念3 3：误码率误码率nnPee接收的总码元数接收的总码元数出错码元数出错码元数 16回到问题上来：回到问题上来：p在给定的信道环境下，在给定的信道环境下，单位时间内所能传输信息的最大速率，单位时间内所能传输信息的最大速率，即即，单位，单位b/sb/sp说明：如果信源的信息传输速率说明：如果信源的信息传输速率RR信道容量信道容量C C，则理论上可使信源输出以任意小误码率通过信道则理论上可使信源输出以任意小误码率通过信道进行传输；如果进行传输；如果RCRC，则无差错传输在理论上是，则无

8、差错传输在理论上是不可能的。不可能的。172.1.42.1.4信道的最大数据速率信道的最大数据速率（1.）(b/s)(b/s)M M2Wlog2WlogC C2 22W2WB B 182.1.42.1.4信道的最大数据速率信道的最大数据速率（2.）( (b b/ /s s) ) )N NS S( (1 1W Wl lo og gC C2 219练习题练习题p1、常用的数据传输率单位有、常用的数据传输率单位有kbps, Mbps, Gbps，如果局域网的传输速率，如果局域网的传输速率100Mbps，那，那么发送么发送1bits数据需要的时间是：数据需要的时间是：A 110（-6）sB 110（-

9、7）sC 110（-8）sD 110（-9）s答案：答案：C20练习题练习题p2、误码率是指二进制码元在数据传输系统中被、误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的传错的_：A 比特数比特数B 字节数字节数C 概率概率D 速度速度答案：答案：C21练习题练习题p3、对于一个实际的数据传输系统，在数据传输、对于一个实际的数据传输系统，在数据传输速率确定后，如果要求误码率越低，那么传输系速率确定后，如果要求误码率越低，那么传输系统设备的统设备的_：、造价越高；、造价越高；、结构越复杂；、结构越复杂；、线路带宽越大；、线路带宽越大；、拓扑结构越简单。、拓扑结构越简单。A 和和 ；B 和和 ；C 和

10、和 ； D 和和 。答案：答案：A22练习题练习题p4、奈奎斯特准则从定量角度描述了、奈奎斯特准则从定量角度描述了_与传输与传输速率与状态的速率与状态的关系：关系： 答案：带宽答案：带宽 或或 信道带宽信道带宽23练习题练习题p5、香农定理描述了信道带宽与哪些参数之间的、香农定理描述了信道带宽与哪些参数之间的关系：关系：、最大传输速率；、最大传输速率；、信号功率；、信号功率；、噪声功率；、噪声功率；A 、和和 ；B 仅仅和和 ；C 仅仅 和和 ；D 仅仅和和 。答案：答案：A24补：信道时延补：信道时延(Delay(Delay) )252.2 物理传输介质物理传输介质p介质：用于传送信号的实际

11、载体。介质：用于传送信号的实际载体。（认为用于传送信号的（认为用于传送信号的物理媒体并不属于物理层，而是在物理层之下，因此有人物理媒体并不属于物理层，而是在物理层之下，因此有人把它当做第把它当做第0 0层）层）n有线有线 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 光纤光纤n无线无线 微波微波 无线电波无线电波 红外线红外线 卫星卫星 激光通信激光通信262.2 物理传输介质物理传输介质无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f

12、(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 电信领域使用的电磁波的频谱272.2.1 双绞线（双绞线（TP: Twisted Pair wire）p最常用的物理传输媒体最常用的物理传输媒体p价格便宜、易于安装价格便宜、易于安装p由两根绝缘铜线互相绞在一起，用于降低传输信号之间的由两根绝缘铜线互相绞在一起，用于降低传输信号

13、之间的干扰干扰p一般由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管内。一般由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管内。p分类：分类：n屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPn非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP28UTP（非屏蔽双绞线）（非屏蔽双绞线）29STP(屏蔽双绞线屏蔽双绞线)30STP(屏蔽双绞线屏蔽双绞线)31双绞线的接口及连线双绞线的接口及连线pUTPUTP的的RJ-45RJ-45接头接头编编号号12345678颜颜色色白白绿绿绿绿白白橙橙蓝蓝白白蓝蓝橙橙白白棕棕棕棕4 4，5 5，7 7，8 8用于电话连接。用于电话连接。数据通信中使用数据通信中使用1 1，2 2，3 3，6 6 四四根连线。根连线。1 1，

14、2 2：发送数据：发送数据3 3，6 6：接收数据：接收数据32双绞线的接口及连线（续）双绞线的接口及连线（续）332.2.2 同轴电缆同轴电缆p分类分类n(1)50欧：基带同轴电缆欧：基带同轴电缆,用于数字基带编码通信如曼彻斯特编码等用于数字基带编码通信如曼彻斯特编码等,传送的是数字信号传送的是数字信号,用高低电平分别代表用高低电平分别代表0,1，常用于以太网的连接。，常用于以太网的连接。 终端电阻终端电阻342.2.2 同轴电缆同轴电缆n(2)75欧：宽带同轴电缆欧：宽带同轴电缆， 用于宽带数据网，传输的用于宽带数据网，传输的是经调制后的模拟信号。传输的是连续的波形信号。是经调制后的模拟信

15、号。传输的是连续的波形信号。带宽带宽300-400MHz300-400MHz，传输距离可达，传输距离可达 100 km100 km。常用于常用于CATV网传输。网传输。75同轴电缆352.2.3 光纤光纤驱动器光源光检测器放大器光信号36光纤的传输方式光纤的传输方式372.2.3 光纤光纤382.2.4 无线信道无线信道39无线电无线电（Radio）40微波微波41卫星通信卫星通信42红外线红外线43激光激光44练习题练习题p城域网的主干网采用的传输介质主要是：城域网的主干网采用的传输介质主要是：A 同轴电缆同轴电缆B 光纤光纤C 屏蔽双绞线屏蔽双绞线D 无线通道无线通道452.3 2.3 编

16、码与调制编码与调制共 用 电 话网 （ 模 拟信 道 ）数 字 信 号模 拟 信 号数 字 信 号46通信信道中传输数据的四种形式：通信信道中传输数据的四种形式：47通信信道中传输数据的四种形式：通信信道中传输数据的四种形式：481.幅度调制（调幅幅度调制（调幅AM）2.频率调制（调频频率调制（调频FM）3.相位调制（调相相位调制（调相PM ）492.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制n数字方波的频带较宽，如一路数字方波的频带较宽，如一路模拟电话的频带为模拟电话的频带为4kHz4kHz带宽，带宽，一路数字电话约占一路数字电话约占64kHz64kHz。n传统的模拟线路不适用于传输

17、传统的模拟线路不适用于传输含有高频谐波的数字信号。含有高频谐波的数字信号。n因此如果使用模拟信道传输数因此如果使用模拟信道传输数字信号，字信号， 需要对基带信号进需要对基带信号进行调制行调制。502.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制512.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制数字调幅数字调幅数字调频数字调频数字调相数字调相522.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制 010011100基带信号调幅532.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制 542.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制010011100基带信号调频552

18、.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制2FSK2FSK调制原理图调制原理图 562.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制572.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制582.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制调相010011100基带信号592.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制602.3.3 2.3.3 数字数字- -模拟调制模拟调制p在多级调制中，调制信号的级数越多，数字数据的传输在多级调制中，调制信号的级数越多，数字数据的传输速率就越高，但相邻级别之间的差别就越小，抗干扰能速率就越高，但相邻级别之间的差别就越小，抗干

19、扰能力就越低，解调的难度也越大。（力就越低，解调的难度也越大。（多进制数字调制系统多进制数字调制系统的抗噪声性能通常低于二进制数字调制系统。的抗噪声性能通常低于二进制数字调制系统。）p因此，对单一参数的多级调制来说，数据传输速率不可因此，对单一参数的多级调制来说，数据传输速率不可能做到很大。能做到很大。p为进一步提高调制的效率，在同样的级数下得到更多的为进一步提高调制的效率，在同样的级数下得到更多的信号状态数，可以对两个参数进行复合多级调制。信号状态数，可以对两个参数进行复合多级调制。 基本数字调制基本数字调制技术技术61PCM,Pulse Code Modelation采样器采样器量化器量化

20、器编码器编码器模拟模拟数据数据数字数字信号信号时间离散、振时间离散、振幅连续的信号幅连续的信号(PAM(PAM脉冲脉冲) )时间离散、振时间离散、振幅离散的信号幅离散的信号(PCM(PCM脉冲脉冲) )脉冲编码调制脉冲编码调制原理图原理图62样样：在时间上将模拟：在时间上将模拟信号离散化。信号离散化。p量化量化：对采样来的幅值：对采样来的幅值进行舍零取整的处理进行舍零取整的处理 p编码编码：对每个量化后的对每个量化后的样本进行编码。样本进行编码。63例：例：-话音信道带宽话音信道带宽4KHz 28KHz ( 2倍话音最大频率倍话音最大频率) )-量化级数：量化级数：64改进？改进？ 非线性的编

21、码技术优化非线性的编码技术优化PCM 差分脉码调制差分脉码调制 增量调制增量调制 预测性编码预测性编码652.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码662.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码672.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码682.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码692.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码702.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码每一位的中间（每一位的中间（1/21/2周期处）有周期处）有一跳变，该跳变既作为时钟信一跳变，该跳变既作为时钟信号（同步），又作为数据信号。号（同步）

22、，又作为数据信号。从高到低的跳变表示数字从高到低的跳变表示数字“0”0”，从低到高的跳变表示数字从低到高的跳变表示数字“1”1”。每一位的每一位的中间（中间（1/21/2周期处）有一跳变，周期处）有一跳变，但是，该跳变只作为时钟信号但是，该跳变只作为时钟信号（同步）。数据信号根据每位（同步）。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值：有开始时有无跳变进行取值：有跳变表示数字跳变表示数字“0”“0”，无跳变表，无跳变表示数字示数字“1”“1”。712.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码p曼彻斯特编码、曼彻斯特编码、722.3.5 2.3.5 数字数字- -数字编码数字编码p每次对每

23、次对4 4位数据进行编码位数据进行编码, ,每每4 4位数据编码成位数据编码成5 5位符号。位符号。 5 5比特编码的比特编码的3232种组合中，实际只使用了种组合中，实际只使用了2424种，其中的种，其中的1616种用做数据符种用做数据符合，其余合，其余8 8种用做控制符号种用做控制符号( (如帧的起始和结束符号等如帧的起始和结束符号等) )。p对于对于100100bpsbps的光纤网只需的光纤网只需125MHz125MHz的元件就可实现的元件就可实现, ,效率提高到效率提高到80%80%。p同步：同步：n可以采用二级编码的方法。即先按可以采用二级编码的方法。即先按4B/5B4B/5B编码，

24、然后再编码，然后再利用一种称为倒相的不归零制利用一种称为倒相的不归零制NRZINRZI编码。编码。编码确保无论编码确保无论4 4比特符号为何种组合比特符号为何种组合( (包括全包括全“0”)0”)，其对应的，其对应的5 5比特编码中至少比特编码中至少有有2 2位位“1”1”，从而保证在光纤中传输的信号至少发生两次跳变，从而保证在光纤中传输的信号至少发生两次跳变，接收端可得到足够的同步信息，利于接收端的时钟提取。原理类接收端可得到足够的同步信息，利于接收端的时钟提取。原理类似于差分编码。似于差分编码。p用于快速以太网用于快速以太网732.4 多路复用技术多路复用技术DEMUX复用器复用器解复用器

25、解复用器共享信道共享信道MUX742.4多路复用技术多路复用技术采用调频的多路复用技术。业务信采用调频的多路复用技术。业务信道在不同的频段分配给不同的用户。道在不同的频段分配给不同的用户。是采用时分的多路复用技术。业务是采用时分的多路复用技术。业务信道在不同的时间分配给不同的用户。信道在不同的时间分配给不同的用户。实际上是实际上是FDMFDM的一个变种，用于光的一个变种，用于光纤信道的复用。纤信道的复用。是采用扩频的多路复用技术。所有是采用扩频的多路复用技术。所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。务信道。75CH1 CH2

26、CH3带宽复用带宽复用fCH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXFDMFDM的的CCITTCCITT标准与贝尔标准标准与贝尔标准( (教材教材P)P)76把物理信道按时间分割成若干个时间片，并轮流分把物理信道按时间分割成若干个时间片，并轮流分配给多个信号使用。每个信号分得一个时间片，在该时间配给多个信号使用。每个信号分得一个时间片，在该时间片内该信号占用整个带宽。通过时间片轮转，多条低速线片内该信号占用整个带宽。通过时间片轮转，多条低速线路共同使用一条高速线路进行数据传递。路共同使用一条高速线路进行数据传递。适用于数字信号传输。适用于数字信号传输。时 分 多 路复 用 器时 分 多 路复 用 器低速线路低速线路低速线路低速线路高速线路高速线路77p分类：分类：将时间片预先将时间片预先给各个信道，即每个时间片与一个信号对应，并给各个信道，即每个时间片与一个信号对应，并且时间片